機載鋰電池健康評價與管理方法和技術(shù)研究

夏承成，王順利，尚麗平，李占峰，胡曉敏

(1.西南科技大學信息工程學院，四川綿陽621010；2.西南科技大學制造科學與工程學院，四川綿陽621010)

機載鋰電池健康評價與管理方法和技術(shù)研究

夏承成1，王順利1，尚麗平1，李占峰2，胡曉敏1

(1.西南科技大學信息工程學院，四川綿陽621010；2.西南科技大學制造科學與工程學院，四川綿陽621010)

針對機載鋰電池健康問題，提出了一種機載鋰電池健康評價與管理新方法，為鋰電池的機載應(yīng)用提供安全保障。該方法通過可信度的計算，對機載鋰電池健康狀態(tài)進行評價，結(jié)合充放電過程中的安全保護策略，實現(xiàn)對機載鋰電池的健康管理。實驗結(jié)果表明，基于可信度推理的健康評價方法具有較好的應(yīng)用效果，準確率達到90%，能夠?qū)崿F(xiàn)機載鋰電池健康有效管理。該方法實現(xiàn)了鋰電池健康有效評估與維護，能夠有效保證其在機載應(yīng)用中的安全性。

機載鋰電池；健康評價；健康管理；地面維護；安全保護策略

針對飛行物體的高可靠性要求特點，為了有效解決能源不足等突發(fā)情況，機載環(huán)境多采用蓄電池進行應(yīng)急供能。由于飛行物體的能耗與質(zhì)量的正相關(guān)關(guān)系，機載蓄電池高能量密度性能指標為其選用的重要依據(jù)。經(jīng)由鉛酸、鎘鎳、鋰離子的階段性發(fā)展，高能量密度的機載鋰離子蓄電池(以下簡稱：機載鋰電池)成為現(xiàn)階段的機載應(yīng)用發(fā)展趨勢。但是，經(jīng)由波音787事故鋰電池自燃事件的影響，鋰電池的高穩(wěn)定性和可靠性遭到質(zhì)疑，嚴重制約了鋰電池機載應(yīng)用的推廣[1]。

針對這一課題，大量國內(nèi)外研究工作者展開探索性研究。Kim Jonghoon等人基于不同溫度條件下的充放電過程進行了荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)計算和健康狀態(tài)(state of health，SOH)預(yù)測方面的研究[2]，韓麗等人基于GA-Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行了電池劣化程度預(yù)測研究[3]，王順利等人基于最優(yōu)路徑選擇進行了電池組單體電壓主動均衡方法研究[4]，Jung Seunghun等人進行了鋰電池的多維數(shù)據(jù)建模方法探索[5]，以及其他科研工作者在SOC[6]、主動均衡[7]、SOH[8]、剩余壽命[9]、均衡策略[10]等方面也針對該領(lǐng)域進行了深入研究。但是，針對機載鋰電池的健康評價與管理，現(xiàn)在仍缺乏系統(tǒng)、可靠的評價和管理方法。

本文對機載鋰電池的健康評價與管理方法進行了探索，提出了一種基于可信度的機載鋰電池健康評價與管理方法?；谠摲椒ㄔO(shè)計并實現(xiàn)了機載鋰電池地面檢測與維護系統(tǒng)，實現(xiàn)了對機載鋰電池地面維護過程中的健康評價與管理。

1 理論分析

1.1 健康評價原理

在基于可信度的機載鋰電池健康評價與管理過程中，首先確立其知識不確定性的表示。定義E(Evidence)為可信度推理的前提條件，C(Conclusion)為推理的結(jié)論，CF(C,E)為該推理過程的可信度(Certainty Factor)，則其計算過程如式(1)所示。

式中：P(C)為?的先驗概率，當MD(C,E)>0時，P(C/E)>P(C)，表示由于 E所對應(yīng)的證據(jù)出現(xiàn)增加了對C的信任程度。當MD(C,E)>0時，P(C,E)

根據(jù)CF(C,E)的確立及MB(C,E)和MD(C,E)的互斥性，求得CF(C,E)如式(3)所示。

式中：P(C,E)=P(C)表示E對應(yīng)的證據(jù)與C無關(guān)，CF(C,E)的取值范圍為[-1,1]。

針對所構(gòu)建的機載鋰電池健康評價結(jié)構(gòu)模型分析，得到其具有多條件輸入的特點，因此需構(gòu)建在多條件情況下的組合條件可信度推理模型。

在所列出的時間、溫度、電壓、故障狀態(tài)等參數(shù)的分析過程中，進行分析組合，構(gòu)建組合條件下的可信度推理模型。這些輸入?yún)?shù)間的關(guān)系有合取關(guān)系也有析取關(guān)系，這樣多個輸入構(gòu)成一個組合條件。確立1，2，3，…，各輸入條件的可信度分別為(1)，(2)，(3)，…在輸入?yún)?shù)為合取關(guān)系情況下，輸入條件的總可信度為這些可信度的最小值。在輸入?yún)?shù)為析取關(guān)系情況下，輸入條件的總可信度為這些可信度的最大值。針對單個條件的可信度為()情況下，確立該條件的可信度推理規(guī)則可信度為(,)，則由該條件推出結(jié)論()的可信度計算過程如式(4)所示。

針對多輸入條件下的機載鋰電池健康評價與管理，輸入條件不同，可信度也不同，采用合成算法求取健康評價的綜合可信度，基于多條件的綜合通過兩兩合成的思想實現(xiàn)?；趩蝹€條件對健康評價的可信度計算，求取1和2對健康評價結(jié)果()的綜合影響形成的可信度1,2()如式(5)所示。

根據(jù)兩兩組合的方式針對溫度、電壓、電流、時間、故障數(shù)等多輸入條件進行健康評價可信度值的計算與確立，形成多輸入條件下可信度推理健康評價，以達到機載鋰電池地面狀態(tài)檢測與維護過程中的健康評價與管理目標。

針對機載鋰電池的應(yīng)用特點，基于蓄電池健康評價基本過程，構(gòu)建健康評價結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 健康評價結(jié)構(gòu)模型

1.2 機載鋰電池充放電機理

機載鋰電池從材料角度多選用鈷酸鋰，主要由正極、隔膜、負極、有機電解液、電池外殼組成。其中，正極由活性物質(zhì)鈷酸鋰材料；隔膜是一種經(jīng)特殊成型的高分子薄膜，具有微孔，讓鋰離子自由通過，而電子不能通過；負極活性物質(zhì)為石墨或類似石墨結(jié)構(gòu)的碳，導電集流體使用電解銅箔；有機電解液為碳酸酯類溶劑；電池外殼為方形鋼殼。充放電過程如圖2所示。

圖2 機載鋰電池充放電機理

機載鋰電池應(yīng)急放電時，兩個電極經(jīng)過開艙門模塊、數(shù)據(jù)下載模塊以及機上關(guān)鍵負載等設(shè)備構(gòu)成閉合回路，在電勢差作用下，電子從負極移向正極。同時，電池內(nèi)部，鋰離子從負電極經(jīng)由電解液、隔膜移至正極，直至正電極達到富鋰態(tài)或負電極達到貧鋰態(tài)，其反應(yīng)過程如式(6)所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

基于所構(gòu)建的健康評價模型和充放電維護機理分析，構(gòu)建機載鋰電池健康狀態(tài)評價與管理系統(tǒng)。

2.1 硬件設(shè)計

2.1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用中功能、性能需求，設(shè)計機載鋰電池健康評價與管理系統(tǒng)，基于RS485總線構(gòu)建維護柜與遠端控制系統(tǒng)，構(gòu)建系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.1.2 充放電維護設(shè)計

充電單元由電源控制器和功率組件組成，前半部分為電源控制器，后半部分為功率組件，兩個部件均設(shè)計為插件結(jié)構(gòu)。功率組件采用恒壓源加上斬波器組成開關(guān)電源，電源控制器集成了控制器和數(shù)據(jù)采集器，實時對斬波器進行PID調(diào)節(jié)，實現(xiàn)恒流限壓。

圖3 地面檢測與維護系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

電源控制器內(nèi)設(shè)計有嵌入式軟件，與本地操作單元通過RS485進行數(shù)據(jù)交聯(lián)，獲取各設(shè)置參數(shù)和操作命令，然后按要求啟動或者關(guān)閉該充電單元，進行充電或者停止充電控制。當滿足充滿條件時，自動停止充電，并向本地操作單元反饋信息。當出現(xiàn)過壓時，檢測維護柜有兩級保護：第一級為充電單元自身保護，如果保護失效，電壓繼續(xù)上升；第二級檢測單元保護動作，關(guān)閉充電。充電單元與電池之間設(shè)計有保護繼電器，當充電單元失控時，通過保護繼電器可以斷開與電池的連接。為了短路保護，與電池連接回路中還設(shè)計有斷路器。電源控制器還將數(shù)據(jù)采集器采集的電壓等參數(shù)通過通信傳遞給本地操作單元。充電單元電路組成如圖4所示。

圖4 充電單元電路原理框圖

放電采用串聯(lián)放電方式，由功率電阻和放電控制單元組成，電阻放置于機柜頂部，便于散熱，放電控制單元采用全數(shù)字化控制，由軟件實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)，實現(xiàn)恒流放電。

放電控制單元內(nèi)設(shè)計有嵌入式軟件，與本地操作單元通過RS485進行數(shù)據(jù)交聯(lián)，獲取各設(shè)置參數(shù)和操作命令，然后按要求啟動或者關(guān)閉該放電單元，進行放電或者停止放電。當滿足放停條件時，自動停止放電，并向本地操作單元反饋信息。當出現(xiàn)過放時，檢測維護柜1有兩級保護：第一級為放電單元自身保護，如果保護失效，電壓繼續(xù)下降；第二級檢測單元保護動作，關(guān)閉放電。放電單元與電池之間設(shè)計有保護繼電器，當控制電路無效時，通過保護繼電器可以斷開與電池的連接。為了短路保護，與電池連接回路中還設(shè)計有斷路器。放電控制單元還設(shè)計有數(shù)據(jù)采集功能，將采集的電壓等參數(shù)通過通信傳遞給本地操作單元。放電單元電路組成如圖5所示。

圖5 放電單元電路框圖

2.1.3 檢測單元設(shè)計

在用于檢測功能時，對鋰電池組內(nèi)部的電池和器件進行故障判斷；在維護過程中，過程開啟前，該單元通過RS485總線獲取控制參數(shù)并記錄，然后獨立于充放電單元，對鋰電池組的電壓進行檢測，如果出現(xiàn)過壓或欠壓情況，就控制相應(yīng)的保護繼電器，斷開功率回路。由于檢測單元將控制參數(shù)記錄保存，處于近端模式時，檢測單元依然會按照已保存的控制參數(shù)實時保護，檢測單元的整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 檢測單元組成結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 軟件設(shè)計2.2.1上位機部分

上位機部分主要實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集與控制，主要包括相關(guān)參數(shù)設(shè)置、實時監(jiān)測與數(shù)據(jù)管理等功能，系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 軟件功能結(jié)構(gòu)

2.2.2 下位機部分

下位機使用PIC單片機進行嵌入式編程實現(xiàn)，其整體功能結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 下位機供能結(jié)構(gòu)框圖

2.3 系統(tǒng)實現(xiàn)

通過系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計與實現(xiàn)，以及針對數(shù)據(jù)采樣需求，研制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖9所示。

3 實驗與分析

3.1 健康評價實驗

針對7ICP系列機載鋰電池組進行健康評價估算，將綜合可信度作為評價依據(jù)，判定機載鋰電池的健康狀態(tài)。通過與機載鋰電池樣本原始數(shù)據(jù)比較，驗證預(yù)測結(jié)果的準確度，部分實驗估算結(jié)果如表1所示。

圖9 檢測系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖

表1 實驗結(jié)果數(shù)據(jù)表

表1中電池型號后三位為具體型號替代值，原始健康估計值和實驗健康估計值均采用百分制(%)數(shù)值表征，上下箭頭表征健康估計值的范圍區(qū)間。

3.2 結(jié)果分析

實驗結(jié)果表明，該方法基于可信度推理獲得的健康評價結(jié)果與實際樣本結(jié)果具有較高的一致性，該方法在對機載鋰電池健康評價中，限值判斷準確率達到90%以上，能夠?qū)崿F(xiàn)對機載鋰電池在地面檢測與維護過程中的健康狀態(tài)有效評價。通過實驗過程驗證，基于可信度推理能夠有效實現(xiàn)鋰電池健康評價管理，基于此方法研制的機載鋰電池地面檢測與維護系統(tǒng)具有較好的機載鋰電池健康管理效果。

4 結(jié)論

本文研究了機載鋰電池健康評價與管理方法，基于可信度推理實現(xiàn)對機載鋰電池健康狀態(tài)評價，針對機載環(huán)境下鋰電池達到地面健康檢測與維護目標，可推廣至軌道交通等領(lǐng)域鋰電池健康評價與管理。出于安全考慮，實驗極限條件為5倍充放電倍率，有待后續(xù)探索性提高。本文構(gòu)建了機載鋰電池健康推理估算模型，首次把專家系統(tǒng)思想引入鋰電健康評價領(lǐng)域并取得良好效果，實現(xiàn)了機載鋰電池健康檢測與管理，對有效保障機載鋰電池的生產(chǎn)、貯存和安全使用起到重要的積極作用。該方法的提出與應(yīng)用對鋰電池健康管理具有較好效果，建議基于該思想進行后續(xù)均衡調(diào)節(jié)等健康管理與安全保護深入研究。

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Airborne lithium battery health assessment and management approach and technology study

A novel health evaluation and management method was proposed for the health issue of the airborne lithium battery,providing security for the lithium airborne applications.In this method,the health status evaluation was realized by the confidence calculation,based on which the health management was achieved combined with the security policies in charge and discharge process. The experimental results show that this method has good application effect,and the accuracy rate is up to 90%,achieving effective health management of the airborne lithium battery. This method could provide effective assessment and maintenance for the lithium battery, which could effectively guarantee its safety in the airborne applications.

airborne lithium battery;health assessment;health management;ground maintenance;security strategy

TM 912

A

1002-087 X(2015)10-2110-03

2015-03-19

西南科技大學研究生創(chuàng)新基金(14ycxjj0114)；四川省創(chuàng)新訓練項目(201410619004)

夏承成(1988—)，男，四川省人，碩士生，主要研究方向為機載鋰電池維護方法。

王順利(1985—)，男，四川省人，講師，博士生，主要研究方向為檢測技術(shù)及應(yīng)用。